Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 2, стр. 151-154

Солнечная обсерватория Уилкокса (WSO) начала проводить ежедневные наблюдения за магнитным полем Солнца начиная с мая 1975 г. С мая 1976 года в WSO ежедневно выпускаются карты магнитного поля Солнца [1]. Смена полюсов Солнца наблюдалась в апреле 2001 г. [2–4]. Используя данные WSO и измерения концентраций ионов H⁺, He⁺, N⁺, О⁺, H₂O⁺ на высотах 810–830 м масс-спектрометрами “РИМС”, разработанными Институтом прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова и установленными на космических аппаратах “Метеор-М № 1, № 2”, исследовано влияние инверсии магнитного поля Солнца на ионный состав экзосферы Земли [5]. Измерение ионного состава экзосферы Земли в институте проводится с 2009 г. по настоящее время.

Спутники “Метеор-М” № 1, № 2 включены в “Единую территориально-распределенную информационную систему дистанционного зондирования Земли” (ЕТРИС ДЗЗ). Они запущены на круговую солнечно-синхронизированную орбиту, на борту спутников установлены масс-спектрометры РИМС. Датчики приборов РИМС, ориентированные вдоль траекторий КА “Метеор-М” навстречу ионному потоку, измеряют амплитуды тока тепловых ионов. Измерения проводятся два раза в день, начало измерений примерно в 6 и 18 ч по московскому времени (МСК). Длительность каждого сеанса измерений – 102 мин [5]. Во время сеанса измерений спутник совершает один полный оборот. Каждые 20 с (соответствуют 80 км траектории спутника) проводится измерение амплитуд ионных токов по атомным массам. Измерение ведется в двух диапазонах – легкие ионы (1–4 а.е.м.) и тяжелые ионы (4–20 а.е.м.). Полное количество измерений составляет 305 за один сеанс, причем синхронно работают два спутника с небольшим сдвигом по времени (не более 1 ч).

Точность измерения концентраций О⁺ составляет 5000 N/cm³. Диапазон изменчивости О⁺ в экзосфере  в период наблюдений составлял 0–50 000 N/cm³.

Ежедневно со спутников поступают 4 таблицы данных, в год – 1460 в следующем формате:

Таблица данных амплитуд концентраций ионов формируется в следующем виде (ТВ – текущее время от начала суток в секундах):

Траектории спутников проходят по основным зонам аномального магнитного поля Земли: Бразильская, Сибирская, моря Уэдделл и Канадская аномалии [6]. Измерения с “Метеор-М № 1” проводятся с 2009 г. (РИМС-1), а “Метеор-М № 2” с 2014 г. (РИМС-2) по настоящее время.

Для сопоставления данных масс-спектрометров с данными солнечной активности был выбран массив данных из широтной полосы 5°–15° северного полушария.

На рис. 1 приведены графики солнечной активности (числа Вольфа) и измеренной концентрации ионов в период 24 солнечного цикла.

Рис. 1.

Солнечная активность (числа Вольфа) и концентрация ионов О⁺ в период 24-го солнечного цикла по данным российских космических аппаратов “Метеор-М № 1, № 2” (приборы РИМС) с 2009 по 2018 г. и европейского космического аппарата “DEMETER” с 2006 по 2009 г.

В результате совместного анализа солнечной активности и временного хода О⁺ в период с 2009 по 2018 г. обнаружено аномальное поведение О⁺ во время инверсии магнитного поля Солнца с июля 2013 по февраль 2014 г. (рис. 1, 2 и 3).

Рис. 2.

На рисунке представлены данные изменчивости концентрации О⁺ в диапазоне широт 82° с.ш.–82° ю.ш. в период 24-го цикла солнечной активности с 2011 по 2016 г. Представленные циклы построены по данным наблюдения концентраций О⁺ во время ежедневных измерений (305 измерений за полный оборот).

Рис. 3.

Временная изменчивость концентрации О⁺ вдоль экватора в период инверсии геомагнитного поля. Пунктирными линиями показаны результаты интерполяции экстремальных значений О⁺.

Анализ данных измерений О⁺ показал следующее: в период с января 2011 г. по апрель 2013 г. прослеживается устойчивая 27-суточная изменчивость О⁺; с апреля по июнь 2013 г. наблюдаются увеличение периода изменчивости от 27 до 45 сут; далее с июня 2013 г. по январь 2014 г. наблюдается цикличность с периодом приблизительно два месяца; с января по апрель 2014 г. период цикличности уменьшается от 45 до 27 сут; после чего 27-суточная цикличность восстанавливается и становится устойчивой вплоть до конца 2018 г. (рис. 2 и 3).

Время инверсии магнитного поля Солнца составляет приблизительно 11.5 мес. Причем в начале и конце инверсии наблюдается резкое изменение амплитуды О⁺. При этом амплитуда в зоне основной инверсии составляет около 30 000 N/сm⁺³, максимальное значение О⁺ достигает 50 000 N/сm⁺³, а минимальное значение О⁺ уменьшается практически до нуля (рис. 3). Аномально высокие амплитуды флуктуаций значений О⁺ в начале и в конце инверсии связаны с особенностями солнечного излучения при совпадении инверсии магнитного поля Солнца и максимума солнечной активности.

Следует отметить, что инверсия 2013–2014 гг. магнитного поля Солнца происходит в период максимума солнечной активности и сопровождается значительным увеличением концентрации О⁺.

Аномальное поведение цикличности О⁺ в период инверсии магнитного поля Солнца связано с увеличением интенсивности корпускулярного, рентгеновского и ультрафиолетового излучений в окрестности максимума солнечной активности [7].